Sciences Biologiques - Cours sur la Biologie Cellulaire PDF

Sciences Biologiques La biologie cellulaire La cellule procaryote/la cellule eucaryote Dr Ludivine CANIVET [email protected] Présentation du plan Illustrations Le support n’est qu’un outil, n...

Sciences Biologiques La biologie cellulaire La cellule procaryote/la cellule eucaryote Dr Ludivine CANIVET [email protected] Présentation du plan Illustrations Le support n’est qu’un outil, ne pas oublier d’écouter. Tout n’est pas sur le support Polys : les figures Ne pas hésiter à poser des questions : [email protected] 2 Sciences biologiques Bases de la biologie cellulaire et moléculaire Notion et cours de SVT de terminal Certaines notions seront revues en cours en promo complète Code Moodle : cguvn4 3 https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 4 Les notions à voir ou à revoir 5 La biologie cellulaire 6 La biologie cellulaire ou cytologie Étude des caractères morphologiques et fonctionnels des cellules. Étude des différents types cellulaires, notamment procaryotes & eucaryotes Étude de l'organisation des cellules eucaryotes humaines et animales, comprendre comment la cellule eucaryote interagit avec son environnement La biologie cellulaire, ou cytologie, est une discipline de la biologie étudiant les cellules et ses organites, les processus vitaux qui se déroulent en leur sein et les opérations permettant leur survie (reproduction, métabolisme, homéostasie, communication) sans oublier la caractéristique principale de la cellule vivante, à savoir, la mort qui est programmée génétiquement. 7 Un grand mystère : des molécules organiques à la première cellule Les cellules les plus simples présentent une complexité qui excède largement celle des autres objets connus dans l’univers. Apparition, hautement improbable spontanément, qui ne semble donc pouvoir se comprendre que par un processus comportant de multiples étapes. Actuellement, ces étapes restent mystérieuses, même si de nombreuses recherches sont menées pour tenter de les élucider. Un point crucial qui limite les recherches sur le sujet est qu’aujourd’hui il ne semble pas possible de faire apparaître spontanément de la vie. 8 Un grand mystère : des molécules organiques à la première cellule 9  L'ensemble des organismes vivants peut être classé en trois grands groupes : - les Eucaryotes - les Eubactéries - les Archaebactéries A l'intérieur de chacune de leurs cellules, les eucaryotes possèdent un noyau (= petit sac entouré d'une membrane semi-perméable renfermant les chromosomes). => Les animaux (et donc l'Homme), les plantes et les champignons, sont des EUCARYOTES. Les eubactéries et les archaebactéries ne possèdent pas de vrai noyau, mais une structure beaucoup plus simple, non entourée d'une membrane. Ce sont des PROCARYOTES. 10 11 12 13  https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 Du plus grand au plus petit … 14  Item 1 Du plus grand au plus petit … Item 3 Item 4 Item 2 Item 5 Item 6 Item 7 15  Du plus grand au plus petit … Lien avec les cours de biochimie et de chimie 16  https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 La matière vivante 17 La matière vivante 3 caractéristiques « ça mange », « ça croit » et « ça se reproduit » DONC la « vie » doit posséder : une membrane biologique sélective qui entoure l’organisme, un métabolisme qui est le siège de réactions chimiques différentes de celles présentes dans l’environnement et enfin une information génétique qui permet la reproduction à l’identique. La plus petite unité élémentaire possédant ces trois propriétés est la cellule. 18 La matière vivante : la membrane biologique sélective 19 La matière vivante : la membrane biologique sélective 20 La matière vivante : le métabolisme 21 La matière vivante : le métabolisme Autotrophe : Un organisme autotrophe est un organisme capable de générer sa propre matière organique à partir d'éléments minéraux. Il utilise pour cela l'énergie lumineuse soit par photosynthèse, soit par chimiosynthèse chez quelques espèces. Hétérotrophe : Qui utilise pour se nourrir les matières organiques constituant ou ayant constitué d'autres organismes. 22  https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 La matière vivante : le métabolisme 23 La matière vivante : le métabolisme Le catabolisme et l'anabolisme sont les deux composantes du métabolisme. L'anabolisme est plus particulièrement une phase du métabolisme au cours de laquelle des molécules grosses et complexes sont synthétisées à partir de molécules relativement simples. Pour se faire, de l'énergie est utilisée au cours de cette phase. L'apport d'énergie extérieur utilisé pour cette réaction vient notamment d'une précédente réaction de catabolisme qui elle est exergonique et qui donc libère de l'énergie. Ces réactions permettent aux organismes vivants, la synthèse de métabolites essentiels à partir des éléments de base fournis par l'alimentation et aboutissant à la construction ou au renouvellement des tissus. 24 La matière vivante : le métabolisme Le catabolisme est l'ensemble des réactions de dégradations moléculaires de l'organisme considéré. Il est le contraire de l’anabolisme, ensemble des réactions de synthèse. Le catabolisme et l'anabolisme sont les deux composantes du métabolisme. 25  La matière vivante : le métabolisme Lien avec les cours de biochimie 26 La matière vivante 27  https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 La matière vivante : l’information génétique 28 La matière vivante : l’information génétique Support de l’information génétique Diversité des êtres vivants Mais conservation au cours de l’évolution ainsi que les mécanisme qui y sont liés Lien avec la biologie moléculaire 29  https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 La matière vivante : l’information génétique 30 La matière vivante : l’information génétique Etude de l’ensemble des organites Cellules eucaryotes et procaryotes 31 La ou plutôt … les cellules Les cellules varient énormément en apparence et en fonction Les cellules vivantes ont toutes la même chimie de base Toutes les cellules actuelles ont apparemment évolué à partir d’un ancêtre commun Les gènes fournissent les instructions commandant la forme, la fonction et le comportement complexe des cellules 32 La ou plutôt … les cellules Sont complexes et organisées entres-elles : différenciation cellulaire Possèdent un programme génétique et les moyens permettant sont utilisation Les cellules sont capables de se propager par elles-mêmes : mitose & division cellulaire Les cellules acquièrent et utilisent l’énergie Les cellules effectuent une grande variété de réactions chimiques Les cellules sont capables de répondre à des stimulus Les cellules sont capables d’autorégulation 33 La cellule procaryote  https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 Les procaryotes 35  Les cyanophycées Les procaryotes On classe parmi les Procaryotes: Les bactéries Les mycoplasmes 36  https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 Les procaryotes 37 Les procaryotes Pendant l'interphase, la cellule procaryote ne possède pas de noyau. Un seul chromosome formé aussi d'ADN représente le matériel génétique. Aucune enveloppe ne le sépare du cytoplasme. En microscopie optique, après coloration, le chromosome apparaît comme un fin granule dénommé nucléoïde. 38  Les procaryotes Escherichia Coli (x 200.000), le colibacille commun de l'intestin Représentations schématiques d'un procaryote 39 Les procaryotes 40 Les procaryotes : structure Cette cellule est entourée d'une paroi complexe de 8 à 30 µm d'épaisseur, Elle est tjrs présente (Sauf chez mycoplasmes). Paroi analogue à celle des cellules végétales, sauf sa nature chimique. Une capsule (inconstante) recouvre la paroi. Elle est parfois très mince, 0,2 µm. Dans quelques espèces, elle est très épaisse et noie la cellule dans une sorte de mucus (zooglie). Des cils ou flagelles pour le mouvement Des pilis (ou poils) pour l’adhérence 41 Les procaryotes : structure Cette cellule est constituée par: un cytoplasme homogène ou granuleux, limité par une membrane plasmique. Il renferme: des ribosomes groupés en amas (polyribosomes), des inclusions cytoplasmiques qui sont des réserves, proteasomes (digestion) des mésosomes qui, sont des invaginations de la membrane plasmique, qui pénètrent parfois profondément dans le cytoplasme bactérien et qui s'attachent à l’ADN circulaire (nucléoïde): un ou plusieurs « nucléoïdes », équivalents nucléaires 42 Les procaryotes : structure Les nucléoïdes ne sont pas délimités par une enveloppe nucléaire. Se différencient du cytoplasme par leur moindre densité au rayonnement électronique et par leur structure fibrillaire. Sont remplis d'un feutrage de filaments (3 à 8 nm de diamètre). Ce feutrage est formé par un filament d'ADN replié sur lui-même, qui décrit une boucle fermée : ADN «circulaire» (longueur d'environ 1 mm). Chaque filament d'ADN correspond à un chromosome. 43 La cellule eucaryote  https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 La cellule eucaryote 45 La cellule eucaryote 46 La cellule eucaryote Quelques exemples de protistes : Amibe (Rhizoflagellés) une paramécie (Ciliés) (x 300) (x 250) 47 La cellule eucaryote Les métazoaires (Metazoa) est le groupe d'organismes désignant les animaux. Les organismes ainsi qualifiés sont : multicellulaires : ils sont constitués de multiples cellules différenciées qui peuvent former des tissus, eucaryotes: leurs cellules ont un noyau ainsi que d'autres organistes comme les mitochondries, Et hétérotrophes, c'est-à-dire qu'ils se nourrissent de matière organiques. De plus, leurs cellules forment des tissus ; et leur alimentation ne se fait pas par absorption, contrairement aux champignons. 48  https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 La cellule eucaryote 49 La cellule eucaryote 50 La cellule eucaryote Quelques définitions : Le cytoplasme est défini comme le matériel biologique contenu entre la membrane plasmique (membrane cellulaire) et l’enveloppe nucléaire (cytoplasme = cytosol + organites (hors noyau)) Le cytosol ou hyaloplasme est la phase liquide où baigne les organites. Protoplasme : contenu d’une cellule vivante comprenant le cytoplasme et le noyau (cytoplasme + noyau) 51 La cellule eucaryote : la membrane plasmique La cellule est limitée par la membrane plasmique. La membrane plasmique est faite d'une bi-couche de phospholipides peuplée de protéines glycosylées. 52 La cellule eucaryote : la membrane plasmique 53 La cellule eucaryote : la membrane plasmique La membrane plasmique, d'une épaisseur moyenne voisine de 8,5 nm, limite le protoplasme formé par le noyau et le cytoplasme. En dehors de la membrane plasmique, il n'existe pas de paroi cellulaire, sauf : chez les Végétaux : de nature pectocellulosique; chez certains Champignons et chez les Insectes : formée de chitine. En haut : Structure tripartite (x 300.000) constituée par deux feuillets denses, séparés d'un espace clair. En bas : Face externe de la membrane mise en évidence par cryofracture (x 75.000) 54 La cellule eucaryote : la membrane plasmique Les échanges avec l’extérieur de la cellule se font par endocytose et exocytose, processus uniques aux cellules eucaryotes. Endocytose : La surface membranaire externe s'invagine et se resserre pour former des vésicules cytoplasmiques entourées d'une membrane. Ces vésicules contiennent des substances présentes dans le milieu extérieur ET des molécules adsorbées à la surface de la cellule. Phagocytose - une forme particulière d'endocytose. L'exocytose est le processus inverse, par lequel des vésicules entourées d'une membrane à l'intérieur de la cellule fusionnent avec la membrane plasmique et libèrent leur contenu dans le milieu extérieur. 55  https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 La cellule eucaryote : le noyau 56 La cellule eucaryote : le noyau Le noyau, arrondi ou ovalaire, contient, dans le nucléoplasme, un ou deux nucléoles et des chromosomes (ADN) plus ou moins déspiralisés L'ADN des cellules eucaryotes est toujours associé à des protéines, les histones et non histones. Vaisseau sanguin de rat (x 10.000) (la chromatine est condensée) 57 La cellule eucaryote : le noyau L'enveloppe nucléaire possède 2 membranes: une externe en relation avec le cytoplasme (face cytoplasmique de l'enveloppe nucléaire) une membrane interne séparée de la chromatine par la lamina. Un espace périnucléaire sépare ces deux membranes. 58 La cellule eucaryote : le noyau https://app.wooclap.com/events/NYURZH/0 59 La cellule eucaryote : le noyau La chromatine, substance fortement colorable par les colorants basiques et dont les nucléoprotéines sont les principaux constituants, désigne des zones occupées par les filaments d'ADN superspiralés qui constituent les mottes de chromatine ou hétérochromatine. Structure de la chromatine (oocyte de triton, x 250.000) l'ADN est enroulé autour d'un complexe protéique formé de 4 histones. Un groupement est appelé nucléosome. Les nucléosomes sont enroulés et forment des solénoïdes. 60 La cellule eucaryote : le noyau Le nucléole, avec sa matrice dense, dessine un réseau de mailles anastomosées, contenant des fibrilles et des grains d'ARN ribosomal disposés au hasard; il occupe une place variable. 61 La cellule eucaryote : le cytoplasme Le morphoplasme désigne l'ensemble des organites cellulaires. Le hyaloplasme (plasma transparent), solution aqueuse de pH=7, homogène, transparent, sans structure, contient un réseau microtrabéculaire. Il est organisé et contient, outre des enclaves et des inclusions (inconstantes), un cytosquelette et un réseau microtrabéculaire. Communication cellulaire Lignée cellulaire humaine : cytosquelette (tubuline) visualisé par immunofluorescence 62 La cellule eucaryote : la mitochondrie Les mitochondries, éléments de petites dimensions, sont limitées par deux membranes: une membrane externe, périphérique, lisse, une membrane interne, dont les crêtes augmentent la surface. Détail d'une crête avec des particules d'ATP synthétase Mitochondrie à crêtes parallèles (x 70.000) 63 La cellule eucaryote : la mitochondrie Les cellules eucaryotes dépendent des mitochondries pour leur métabolisme oxydatif. Les mitochondries sont responsables de la respiration cellulaire. Ce processus n'a lieu nulle part ailleurs dans la cellule eucaryote. Sans mitochondries, les cellules des animaux et des champignons seraient des organismes anaérobies. 64 La cellule eucaryote : les membranes internes Les membranes entourent le noyau, les mitochondries et les chloroplastes (dans la cellule végétale). Elles forment un compartiment labyrinthique appelé réticulum endoplasmique, où sont synthétisés aussi bien les lipides et les protéines des membranes cellulaires que le matériel destiné à être exporté hors de la cellule. Le R.E. est un ensemble de cavités anastomoses, occupant Le noyau et le réseau presque toute la cellule. endoplasmique communiquent Il est granulaire lorsque des ribosomes sont accolés à la face externe de sa membrane, lisse lorsqu'il est dépourvu de ribosomes. 65 La cellule eucaryote : les membranes internes Les membranes forment aussi des empilements de sacs aplatis : l'appareil de Golgi Il est impliqué dans la synthèse et le transport de molécules fabriquées dans le réticulum endoplasmique. L'appareil de Golgi désigne l'ensemble des dictyosomes de la cellule. Chaque dictyosome regroupe des saccules empilés, des vésicules de petites dimensions et des vésicules disposées sur l'une de ses faces lorsqu'il est actif. Le dictyosome (Spermatocyte de vers, x 50.000) 66  La cellule eucaryote : les membranes internes On constate un flux de substances (protéines en voie de maturation en provenance du réticulum p. ex.). 67 La cellule eucaryote : les membranes internes Des membranes entourent les lysosomes qui contiennent des réserves d'enzymes destinées à la digestion intracellulaire et les empêchent ainsi d'attaquer les protéines et les acides nucléiques de la cellule elle-même. De la même façon, les membranes entourent les peroxysomes, dans lesquels le peroxyde d'hydrogène, dangereusement réactif, est produit et dégradé au cours de l'oxydation de diverses molécules par 1'O2. Elles forment aussi de petites vésicules et, chez les végétaux, une grande vacuole remplie de liquide. 68 La cellule eucaryote : les membranes internes Organite délimité Organite délimité Eléments délimité par par par deux membranes une membrane aucune membrane - noyau - réticulum - cytosquelette - mitochondries endoplasmique - ribosomes - appareil de Golgi - centriole - lysosomes - endosomes - peroxysomes 69 Quelques particularités de la cellule végétale Structure de la cellule eucaryote végétale est proche de l’organisation de la cellule eucaryote animale. MAIS 3 éléments diffèrent : - la paroi cellulaire - l’appareil vacuolaire - les plastes ou chloroplastes 70 Quelques particularités de la cellule végétale la paroi cellulaire, qui est formée d’une matière glycoprotéique et polysaccharidique avec des fibrilles de cellulose. 71 Quelques particularités de la cellule végétale L’appareil vacuolaire (90 %), qui a un rôle de réserve de nutriments, de lieu de digestion et d’élimination des déchets Le tonoplaste = la membrane de la vacuole qui possède des canaux ioniques 72 Quelques particularités de la cellule végétale Les chloroplastes effectuent la photosynthèse en absorbant la lumière solaire dans la chlorophylle liée à leurs membranes. Feuille de graminée (x 25.000) avec s= stroma, th= thylakoïdes, gr= granum, l= globule lipidique 73 Quelques particularités de la cellule végétale Les chloroplastes se reproduisent par division et contiennent de l'ADN dont la séquence nucléotidique est presque totalement identique à certaines portions du chromosome bactérien. ADN de chloroplaste (x 40.000) 74 Les différences et les points communs Procaryotes : différence avec les eucaryotes toujours des organismes unicellulaires, la présence d'une paroi qui, lorsqu'elle existe, est constituée de peptidoglycanes, leur taille (de 1 à 10 µm) , l'absence de noyau (l'ADN est libre et dépourvu de nucléosomes), l'absence de mitochondries, l'existence d'une chaîne respiratoire localisée dans la membrane plasmique de la bactérie, un chromosome circulaire, libre, relativement simple, dépourvu d'histone, l'absence de mitose et de méiose (se reproduisent par scissiparité), les ribosomes, qui ressemblent à ceux des mitochondries et des chloroplastes et non du cytoplasme 76 Caractères communs aux procaryotes et aux eucaryotes Structure semblable de la membrane plasmique Information génétique codée dans l’ADN par une code génétique identique Mécanisme semblable de transcription et traduction de l’information génétique Voies métaboliques communes Même mécanisme de conservation de l’énergie chimique sous forme d’ATP (localisé dans la membrane plasmique chez le procaryotes et dans la membrane interne des mitochondries des eucaryotes) Même mécanisme de photosynthèse (chez les cyanobactéries et les plantes vertes) Même mécanisme de synthèse et d’insertion des protéines membranaires Même structure des protéasomes (responsables de la digestion des protéines, chez les archéobactéries et chez le eucaryotes) 77 Caractères spécifiques aux cellules eucaryotes Division de la cellule en noyau et cytoplasme séparés par une enveloppe nucléaire possédant des pores à structure complexe Chromosomes complexes formés d’ADN associé à des protéines capables de condenser en structures mitotiques Organites cytoplasmiques membranaires complexes (Golgi, lysosomes, endosomes …) Organites cytoplasmiques spécialisés en vue de la respiration aérobie (mitochondries) et de la photosynthèse (chloroplastes) Cytosquelette complexe 78 Caractères spécifiques aux cellules eucaryotes Flagelles et cils complexes Possibilités d’ingérer des liquides et des particules par enrobage à l’intérieur de vésicules de la membrane plasmique (endocytose et phagocytose) Présence de la cellulose dans les parois cellulaires (chez les plantes) Division cellulaire incluant une séparation des chromosomes par un fuseau mitotique formé de microtubules Présence de deux exemplaires des gènes par cellules (diploïdie) chacun provenant d’un parent Reproduction sexuée nécessitant méiose et fécondation 79